• Теоретический анализ акустических волн различных типов в многослойных структурах

  Руководитель направления Кузнецова Ирен Евгеньевна гл. науч. сотр., д.ф.-м.н., доцент, профессор РАН эл. почта: kuziren@yandex.ru

  
  

   
  При помощи математического моделирования проводится анализ возбуждения, распространения, преобразования и фокусировки поверхностных акустических волн, волн в пластинах и структурах, содержащих изотропные, анизотропные, пьезоактивные, пьезополупроводниковые и полупроводниковые слои. Проводится анализ как прямых, так и обратных акустических волн. Исследуется влияние внешних воздействий (магнитное и электрическое поля, вязкая и проводящая жидкость, фазовый переход жидкость-лед, сенсорные пленки) на свойства этих волн. Моделирование проводится с использованием языков программирования Fortran, СИ++ и среды программирования Comsol Multiphysics.
  Рассмотрены, например, такие структуры как пьезопластина – жидкость – лед. Определены параметры для проведения экспериментов.

  

   
  Теоретически проанализирована возможность фокусировки волн нулевого порядка в пьезоэлектрической пластине YX ниобате лития.

  

• Теоретический анализ акустических волн в клиновидных структурах. Рассмотрены структуры, приведенные ниже, состоящие из изотропных материалов с различными характеристиками

  Руководитель направления Недоспасов Илья Александрович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: ianedospasov@mail.ru

  
  

   
  Рассмотрены структуры, приведенные ниже, состоящие из изотропных материалов с различными характеристиками.

  

• Экспериментальное исследование характеристик акустических волн различных типов в многослойных структурах

  Руководитель направления Анисимкин Владимир Иванович гл. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: anis@cplire.ru тел.: +7 (495) 629-33-61

  
  

   
  Исследуются амплитудно-частотные характеристики линий задержки, создаваемых на основе теоретических расчетов. В качестве звукопроводов используются пьезоэлектрические пластины и структуры, содержащие пьезоэлектрические пленки. Проводится экспериментальное исследование фазовых переходов жидкость-лед при помощи объемных и поверхностных акустических волн.
  Приведена типичная амплитудно-частотная зависимость линии задержки без нагрузки между встречно-штыревыми преобразователями (1), с сенсорной пленкой (2) и с сенсорной пленкой в присутствии изучаемого аналита (3).

  

   
  Исследование влияния влажности на свойства волн Сезава

  

  

• Разработка акустических химических и биологических датчиков на основе теоретического и экспериментального анализа

  Руководитель направления Смирнов Андрей Владимирович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: andre-smirnov-v@yandex.ru

  
  

   
  Создаются экспериментальные образцы акустоэлектронных устройств, проводится верификация их работоспособности на специальных стендах.

  

  

• Теоретически и экспериментально исследована возможность фокусировки акустической энергии фундаментальных антисимметричной (A0) и симметричной (S0) волн Лэмба, а также поперечно-горизонтальной (SH0) волны нулевого порядка в пластине ниобата лития. С помощью электронного сканирующего микроскопа распределение электрических полей той же волны было визуализировано. Результаты этого исследования могут быть полезны для разработки гибридных устройств и датчиков, сочетающих нано- и акустоэлектронные принципы.

  

  

  Публикации:
  

  • I. Kuznetsova, I. Nedospasov, A. Smirnov, V. Anisimkin, D. Roshchupkin, M.-A. Signoria, L. Francioso, J. Kondoh., M. Serebrov, V. Kashin, V. Kolesov The peculiarities of the acoustic waves of zero order focusing in lithium niobate plates. Sensors, 2021, 21, pp.4000

• На основе пластины из кварца созданы микроволновые акустические датчики с повышенной чувствительностью к вязкости жидкости  (1-1500 сП), пониженной чувствительностью к проводимости жидкости  (0-2 См/м) и температуре t (0-550C). Избирательная работа датчиков обеспечивается использованием волн со слабым коэффициентом электромеханической связи и амплитудных характеристик, слабо чувствительных к температуре. Датчики оптимизируются путем изменения направления распространения, толщины пластины h, длины волны λ и порядка n волновых мод. Установлено, что наиболее полезные моды относятся к семействам SH- и Лэмба с преобладающими плоскостными колебаниями. Чувствительность лучших мод достигает 0.3 дБ/сП для 1-20 сП, 0.12 дБ/сП для 20-100 сП и 0.015 дБ/сП для 100-1500 сП. Объем жидкости, достаточный для проведения измерений, составляет около 100 мкл.

  

  

  Датчик вязкости на SH волнах в пластине кварца. Пунктир – нагрузка вода, толстая линия – нагрузка глицерин.

  Публикации:
  

  • I. V. Anisimkin, E. Shamsutdinova, P. Li, B. Wang, F. Zhu, Z. Qian, I. Kuznetsova Selective detection of liquid viscosity using acoustic plate waves with in-plate polarization. Sensors, 2022, 22, pp.2727

• Предложен сенсор для качественного и количественного обнаружения генетически модифицированных (ГМИ) соевых бобов. Сенсор основан на электроде, равномерно покрытом распределенными однослойными наночастицами золота. Результаты экспериментов показали, что сенсор может напрямую обнаруживать генетически модифицированные гены, извлеченные из соевых бобов. Предел обнаружения равен 1%. Коэффициенты восстановления для 4% и 5,7% ДНК GMS составили 104,1% и 102,49% с RSD 6,24% и 2,54%. Данный подход может быть применен для обнаружения других ГМИ культур.

  

  Публикации:
  

  • Ch.-Ch. Chou, Y.-T. Lin, I. Kuznetsova, G.-J. Wang. Genetically modified soybean detection using a biosensor electrode with a selfassembled monolayer of gold nanoparticles // Biosensors-Basel, 2022, v.12, #4, 207

• Пользуясь измеренными материальными постоянными оксида графена впервые было высказано предположение, что акустические волны Сезава, распространяющиеся в многослойных структурах на основе кремния, пьезоэлектрического слоя ZnO и пленки ГО будут еще более чувствительны к изменению свойств оксида графена из-за влажности. Проведенные эксперименты подтвердили выводы теории.

  

  

  Публикации:
  

  • Kuznetsova I.E., Anisimkin V.I., Kolesov V.V., Kashin V.V., Osipenko V.A., Gubin S.P., Tkachev S.V., Verona E., Sun S., Kuznetsova A.S. Sezawa wave acoustic humidity sensor based on graphene oxide sensitive film with enhanced sensitivity// Sensors and Actuators:B, 2018, v.272, pp.236-242

• Усовершенствована технология получения двусторонних гибких пьезоэлектричевких структур на основе пьезоэлектрических пленок ZnO и различных гибких материалов. Полученные структуры применены для создания вибро-пьезо-преобразователя, который генерирует переменное напряжение около 35 мВ.

  

  

  Публикации:
  

  • E. Golovanov, V. Kolesov, V. Osipenko, V. Anisimkin, I. Kuznetsova. ZnO piezoelectric films for acoustoelectronic and microenergetic applications. Coatings, 2022, v.12, 709

• Предложен датчик на поверхностных горизонтально-сдвиговых акустических волнах (SH-SAW) для измерения свойств моторных масел. Проведено сравнение использованного моторного масла, полученного из скутера, проехавшего 6000 км, и нового моторного масла при помощи предложенного датчика. Показано, что более высокочастотный датчик на SH-SAW подходит для контроля качества моторного масла

  

  Публикации:
  

  • J. Kondoh, K. Nakayama, I. Kuznetsova Study of frequency dependence of shear horizontal surface acoustic wave sensor for engine oil measurements. Sensors and Actuators A, 2021, 325, pp.112503

• Теоретически исследованы профили акустического поля и электрического потенциала прямой и обратной сдвигово-горизонтальных (SH) акустических волн высших порядков, распространяющихся в пластине XY ниобата калия.

  

  

  Публикации:
  

  • Kuznetsova I.E., Nedospasov I.A., Kolesov V.V., Qian Z., Wang B., Zhu F. Influence of electrical boundary conditions on profiles of acoustic field and electric potential of shear-horizontal acoustic waves in potassium niobate plates // Ultrasonics. 2018. V.86. P. 6

• Проведено моделирование возбуждения и распространения исчезающих акустических волн в пьезоэлектрических пластинах и разработан метод их регистрации.

  

  

  Публикации:
  

  • Kuznetsova I.E., Nedospasov I.A., Smirnov, A.V., Qian Z.H., Wang B., Dai, X.Y. Excitation and detection of evanescent acoustic waves in piezoelectric plates: Theoretical and 2D FEM modeling // Ultrasonics. 2019. V. 99. P. 105961.
  • Smirnov, A.; Zaitsev ,B.; Teplykh, A.; Nedospasov I.; Golovanov, E.; Qian Z.H., Wang B., Kuznetsova I. The Experimental Registration of the Evanescent AcousticWave in YX LiNbO3 Plate// Sensors, 2021, 21, 2238

• Разработан новый метод обнаружения прямых и обратных акустических волн в пьезоэлектрических пластинах с помощью системы акустически изолированных преобразователей (ВШП) с различным пространственным периодом. Этот метод был протестирован на акустических модах SH1 – прямая (a)и A1-обратная (b), распространяющихся в пьезоэлектрической пластине YX LiNbO3.

  

  

  Публикации:
  

  • Zaitsev B., Kuznetsova I., Nedospasov I., Smirnov A., Semyonov A. New approach to detection of guided waves with negative group velocity: Modeling and experiment //Journal of Sound and Vibration. 2019. V. 442. P. 155

• Исследовано распространение акустических волн в системе, состоящей из двух жестких четверть-пространств, соединенных плоским мягким слоем. Два четверть-пространства и слой образуют полупространство с плоской поверхностью. В ходе численного исследования были найдены и проанализированы поверхностные волны в этой системе со смещениями, локализованными не только на поверхности, но и в мягком слое.

  

  

  Публикации:
  

  • Pupyrev, P. D., Nedospasov, I. A., Sokolova, E. S., & Mayer, A. P. (2021). Surface acoustic waves confined to a soft layer between two stiff elastic quarter-spaces. Wave Motion, 101, 102672

Информация о лаборатории доступна также на сайте labsensors.org

Выполняемые гранты:
1. Проект РНФ 20-19-00708 (2020-2024) Исследование фазовых переходов в жидких средах при помощи акустоэлектронных методов и разработка новых датчиков физических величин на этой основе. Руководитель: Кузнецова И.Е.
2. Проект РНФ-NSFC (Китай) 21-49-00062 (2021-2023) Исследование характеристик жидких суспензий при помощи акустоэлектронных технологий и разработка нового поколения сенсоров. Руководитель: Кузнецова И.Е.
3. Проект РФФИ-Итал-т №20-57-7804 «Мультифункциональный Lung-on-Chip с использованием акустоэлектронных элементов для изучения вирусных заболеваний и перепрофилирования антивирусных препаратов» (2021-2023). Руководитель: Анисимкин В.И.
4. Проект РНФ 22-79-10267 (2022-2024) Акустические краевые волны в композитных структурах: взаимодействие с метаповерхностями и нелинейная генерация мод. Руководитель: Недоспасов И.А.
5. Проект МОН-MOST (Китай) 13.2251.21.0203 (2023-2025) Ключевые технологии исследования и разработки высокоэффективных акустических датчиков жидкости. Руководитель: Кузнецова И.Е.
6. Грант Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов и докторов наук МК-1587.2022.4 (2022-2023) Разработка системы автономного питания и коммуникации для распределенных сенсорных сетей нового поколения Руководитель: Смирнов А.В.

Научная коллаборация:
1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (SKL MCMS NUAA), Nanging, China — Prof. Zhenghua Qian
2. Department of Physics, Faculty of Hydraulic Engineering, University of Architecture, Civil Engineering and Geodesy (UACEG), Sofia, Bulgaria – Dr. George Ivanov
3. Multifunctional Devices Design and Characterization Laboratory, Institute for Microelectronics and Microsystems of CNR (CNR-MMM), Lecce, Italy – Dr. Maria Assunta Signore, Dr. Luca Francioso.
4. ФГБУН Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН) – д.ф.-м.н. Д.В. Рощупкин
5. ФГБНУ «Научно-исследовательский институт по изысканию новых антибиотиков имени Г.Ф. Гаузе» (НИИНА) – д.б.н. Л.М. Краснопольская
6. НИИ Пульманологии ФМБА России – д.м.н. К.А. Зыков
7. ФГБУН Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН – д.х.н. А.Н. Решетилов
8. Сектор электрофизических измерений, Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ФГБНУ ТИСНУМ) – д.ф.-м.н. Б.П.Сорокин